卷邊槽鋼純彎構件畸變屈曲板組約束系數(shù)的直接強度法分析

隨著高強冷彎薄壁型鋼在建筑業(yè)中的大規(guī)模應用,使得構件畸變屈曲的出現(xiàn)可能先于板件的局部屈曲,成為構件失效控制模式。畸變屈曲的破壞機理不同于局部屈曲,其彈性屈曲應力計算過程也大相徑庭?，F(xiàn)有畸變屈曲臨界應力的計算公式異常復雜,在設計中可以借助數(shù)值分析的方法進行計算。有限條方法和有限元方法是常用的兩種數(shù)值分析方法,采用有限條方法和有限元方法計算了冷彎薄壁型鋼柱構件彈性畸變屈曲應力和屈曲半波長度,對比研究發(fā)現(xiàn)二者結果非常接近,均可用于分析柱試件的彈性畸變屈曲。

文中對應用于開單孔軸壓構件承載力計算的直接強度法進行了介紹,同時給出了腹板開多圓孔和多橢圓孔軸壓構件的試驗結果,利用介紹的直接強度法計算了試驗構件的極限承載力。計算結果表明：應用于開單孔軸壓構件承載力計算的直接強度法計算構件承載力與試驗值比較吻合,且有一定的安全度。應用于單孔軸壓構件極限承載力計算的直接強度法同樣適用于腹板開多孔構件極限承載力的計算,可用于冷彎薄壁型鋼開孔構件的工程設計。

文中對應用于開單孔軸壓構件承載力計算的直接強度法進行了介紹,同時給出了腹板開多圓孔和多橢圓孔軸壓構件的試驗結果,利用介紹的直接強度法計算了試驗構件的極限承載力。計算結果表明:應用于開單孔軸壓構件承載力計算的直接強度法計算構件承載力與試驗值比較吻合,且有一定的安全度。應用于單孔軸壓構件極限承載力計算的直接強度法同樣適用于腹板開多孔構件極限承載力的計算,可用于冷彎薄壁型鋼開孔構件的工程設計。

基于直接強度法,擬合冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱局部屈曲、畸變屈曲實用計算公式,取局部屈曲、畸變屈曲與整體屈曲三者的最小值作為軸壓柱屈曲計算結果。3種屈曲計算值與有關試驗值的對比分析表明,所提出的實用計算公式在適用范圍內與試驗值吻合較好,且計算公式簡單、實用,避免了對專用計算程序的依賴。

關于冷彎內卷邊槽鋼（c220*75*20*2.5mm） 加工生產工藝說明 一、冷彎內卷邊槽鋼與普通熱軋槽鋼區(qū)別： 普通槽鋼為熱軋型屬于型材類由鋼鐵廠直接生產，而冷彎內卷邊 槽鋼是熱卷板冷彎加工而成。冷彎內卷邊槽鋼用于鋼結構建筑的 檁條，墻梁（特點：壁薄自重輕、截面性能優(yōu)良、強度高同等強 度可以節(jié)約材料30%）。 二、冷彎內卷邊槽鋼配件： 1.檁托板（加工流程：鋼板切割下料，除銹，鉆孔，焊接組裝， 噴漆）： （檁托板大樣圖） 2.螺栓螺帽； 3.拉條（加工流程：圓鋼切割，滾絲，除銹，噴漆）； 4.隅撐（加工流程：角鋼切割，鉆孔，除銹，噴漆） 三、冷彎內卷邊槽鋼加工制作流程： 1.鋼結構公司購買整卷帶鋼; （帶鋼原材料） 2.鋼結構公司通過冷彎內卷邊槽鋼設備按照設計院設計師計算 的長度及數(shù)量來生產冷彎內卷邊槽鋼（半成品）。 （冷彎內卷邊制作加工設備） 3.生產出來的冷彎槽鋼人工除

冷彎薄壁卷邊槽鋼在受力過程中除可能出現(xiàn)整體屈曲和局部屈曲外,還可能出現(xiàn)畸變屈曲。發(fā)生畸變屈曲會惡化構件的受力性能,從而降低構件的極限承載力。比較研究了5個國家或地區(qū)規(guī)范針對畸變屈曲的設計計算方法,并對最新的畸變屈曲承載力計算方法研究成果進行歸納,最后就既有的5種考慮畸變屈曲的承載力計算方法與有關試驗進行對比分析,結果表明:北美規(guī)范采用的直接強度法適用范圍廣且精度相對較高。

畸變屈曲是冷彎型鋼結構穩(wěn)定設計的重要屈曲模式之一,正逐步受到人們的重視。傳統(tǒng)的有效寬度法難以解決畸變屈曲計算問題,在新近提出的直接強度法中,彈性畸變屈曲應力fod的求解是畸變屈曲計算的關鍵。利用現(xiàn)有文獻數(shù)據(jù),針對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱,分析了截面各種幾何參數(shù)對畸變屈曲應力fod的影響,在此基礎上擬合得到了fod的計算式,從而提出可用于直接強度法的卷邊槽形冷彎薄壁型鋼柱彈性畸變屈曲實用計算式。該式不僅簡單實用、物理意義明確,而且具有較高工程精度,既擺脫了對專用計算程序的依賴,又避免了繁瑣的計算。

研究了帶有腹板加勁肋的帽形卷邊槽鋼截面的薄壁組合柱的屈曲性能。這些柱由具有對稱鋪設角的層合板構成。采用有限元法對柱的屈曲性能進行分析。通過分叉分析以獲得屈曲荷載及柱的振型。采用荷載-撓度曲線分析對柱的后屈曲性能進行研究。結果表明:鋪設角和幾何參數(shù)對柱的屈曲和后屈曲性能影響顯著。本文的研究結果有助于研究如何提高組合柱的承載能力。

通過計算得到了適合各種彎起角度的斜卷邊槽形截面特性計算公式,方便了手算求解構件的屈曲應力。采用直接強度計算法對斜卷邊槽鋼軸壓固支柱的穩(wěn)定承載力及破壞模式進行了分析,并與已有的試驗資料進行了對比。結果表明:直接強度法可以有效地預測斜卷邊槽鋼軸壓固支構件的穩(wěn)定承載力,從而說明了建立在簡支試驗結果基礎上,經(jīng)回歸得到的直接強度法同樣適用于固支柱穩(wěn)定承載力的計算。

對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載力分別用中國規(guī)范(gb50018-2002)中的有效寬度法和美國規(guī)范aisis100-2007附錄中的直接強度法(dsm)進行了穩(wěn)定承載力計算。計算結果表明:采用0.85fy的直接強度法可以有效預測冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱穩(wěn)定承載力,與gb50018-2002中的有效寬度法計算結果吻合較好,可供修訂規(guī)范和設計時參考。

直接強度法是確定薄壁構件承載力非常有效的一種新方法。利用ansys分析確定了卷邊槽鋼截面的有效形心偏移量,并建立了有效形心偏移的計算公式。在此基礎上,提出了對稱軸平面內偏心受壓狀態(tài)下,卷邊槽鋼簡支構件在彎矩作用平面內的穩(wěn)定承載力直接強度計算方法。方法中考慮了局部與整體以及畸變與整體的相關屈曲,并考慮了截面有效形心的偏移。與試驗及有限元分析結果的對比表明,用該方法確定卷邊槽鋼截面有效形心的偏移及偏壓構件的極限承載力是可行的。

畸變屈曲是冷彎薄壁卷邊槽鋼的一種重要屈曲模式,彈性畸變屈曲臨界應力是目前一些主要規(guī)范計算畸變屈曲的關鍵。該文首先推導出畸變屈曲模式下,構件縱向翹曲位移的顯式計算公式,從而簡化計算過程;然后基于經(jīng)典的薄板理論,計算平面內位移,確定構件平面內的變形,在現(xiàn)有研究基礎上得到斜卷邊冷彎薄壁槽鋼軸壓柱彈性畸變屈曲計算公式;最后與有限條法、近似模型計算法進行對比,驗證了該文計算方法的正確和有效性。該文中的彈性畸變屈曲計算公式簡單,便于手算,可供工程設計人員參考。

采用有效寬度法和直接強度法分別對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載能力進行了分析,在此基礎上,對加設隔板這種加固方式的試驗效果進行比較分析,結果表明:當采用矩形隔板,在1/2～1/3半波間距布置隔板時,為經(jīng)濟有效的布置方式。

冷彎薄壁卷邊槽鋼檁條的有效截面分析

為了解腹板v形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼構件的受壓性能,對8根短柱和中長柱進行了軸心受壓試驗研究。在試驗之前首先用有限條和有限元方法對柱試件進行了詳細的設計,以確保發(fā)生畸變屈曲失效。柱受壓試驗結果發(fā)現(xiàn):所有試件均發(fā)生畸變屈曲失效破壞,同時在峰值荷載時中長柱試件有繞弱軸的彎曲產生,畸變屈曲和局部屈曲一樣也有一定的屈曲后強度。在總結分析現(xiàn)有國內外規(guī)范計算理論的基礎上,提出了基于直接強度法設計腹板v形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓構件畸變屈曲承載力的計算方法。采用該建議方法計算所得結果與試驗值和參數(shù)分析值吻合較好,其設計過程簡便且安全可靠。

為了研究冷彎薄壁卷邊槽鋼偏心受壓構件的極限承載力,對13根偏心受壓的冷彎薄壁卷邊槽鋼進行了破壞性試驗,并建立有限元分析方法對試件進行模擬分析,有限元分析結果與試驗結果吻合良好,驗證了有限元方法的有效性;對典型截面構件進行大量的參數(shù)分析,研究截面尺寸、長細比、荷載作用點位置及材料特性等因素對卷邊槽鋼偏心受壓構件極限承載力的影響,提出了冷彎薄壁卷邊槽鋼偏心受壓構件極限承載力計算的折減強度法及其相應計算表。結果表明:利用提出的折減強度法計算卷邊槽鋼偏心受壓構件極限承載力具有一定的適用性。

為研究腹板開孔具中間加勁肋的冷彎薄壁卷邊槽鋼構件的受壓性能,對兩種截面形式的短柱和中長柱共計16根軸壓構件的承載力和屈曲模式進行了試驗分析.結果表明:所有試件均發(fā)生畸變屈曲失效,中長柱試件還伴隨有繞弱軸的整體彎曲;腹板孔洞導致構件屈曲模式發(fā)生變化,孔洞周邊板件有局部屈曲產生;孔洞的存在使試件承載力降低,短柱試件承載力的減小幅度比中長柱試件的大;同組試件中畸變初始缺陷大的,一般承載力較小,畸變變形偏大;極限承載力下開孔構件的畸變變形一般大于未開孔構件.文中還對所有試件進行了有限元模擬,發(fā)現(xiàn)有限元分析結果與試驗值吻合較好.

研究了高強冷彎薄壁卷邊槽鋼柱在高溫下的性能和承載力計算。在試驗基礎上建立了高強冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的有限元模型,模型考慮了局部和整體初始缺陷的影響;利用高強度冷彎薄壁鋼材的高溫材料性能試驗結果,進行了高強冷彎薄壁卷邊槽鋼柱在均勻溫度和非均勻溫度分布下的性能研究;基于《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》提出了均勻高溫下的承載力計算公式,基于直接強度法提出了非均勻高溫下的承載力計算公式。

采用有限元軟件abaqus對卷邊z型鋼梁進行線彈性畸變屈曲分析,針對其畸變屈曲模態(tài),在沿梁的長度方向加設一定數(shù)量的連桿或隔板來防止畸變屈曲的發(fā)生。通過有限元對加固后的z型鋼梁進行分析,比較各種加固措施,提出有效的加固方法。

為研究復雜卷邊槽鋼軸壓固支構件的穩(wěn)定性能,選取不同的翼緣寬厚比、截面形式、構件長度、卷邊長度等幾何參數(shù),對共計292個構件進行非線性有限元分析,研究上述參數(shù)對復雜卷邊槽鋼固支構件穩(wěn)定性能的影響。結果表明:固支構件較易發(fā)生畸變屈曲,翼緣寬厚比較大時,構件的整體失穩(wěn)模式多為彎扭屈曲。構件的極限承載力隨著翼緣寬厚比、構件長細比的增大而減小,卷邊對構件承載效率的影響隨翼緣寬厚比的不同而呈現(xiàn)兩種不同的規(guī)律。

在國內外對畸變屈曲研究成果的基礎上,對冷彎薄壁c形截面槽鋼在軸心受壓和對稱軸平面內偏心壓力下的畸變屈曲進行試驗研究,并與理論分析結果進行了對比分析。

分別采用有限條數(shù)值解法和手算方法對16根軸壓簡支試件的彈性局部、畸變屈曲臨界應力進行了計算,對比了數(shù)值解法與手算方法的計算結果,驗證了手算方法求解彈性穩(wěn)定臨界應力的有效性。研究了v形加勁復雜卷邊槽鋼軸壓構件的彈性穩(wěn)定性能。研究表明:v形加勁肋的存在對軸壓試件的彈性局部屈曲臨界應力影響顯著,但對彈性畸變屈曲臨界應力影響較小,減小翼緣板件的寬厚比能明顯提高截面的彈性畸變屈曲臨界應力。